0 引言
德国是风电发展最快的国家之一。经过几十年的发展，德国陆上风电逐渐饱和，这直接催生了海上风电的发展。德国海上风电发展及并网方面的经验对促进我国风电发展具有借鉴意义。
1 德国海上风电场发展情况
1.1 海上风电发展概况
2009年，全球海上风电呈现快速增长态势[1]。全球海上风电新增装机68.9万kW，同比增长100％，远高于30.1％的陆上风电增长速度。欧洲是海上风电的主要市场，2009年新增8个海上风电场共计199台风机，合计装机容量达57.7万kW，累计总装机容量为205.6万kW，占世界海上风电装机容量的90％。图1为2000—2009年世界海上风电装机情况。
2009年德国新增风电装机191.7万kW[2]，位于世界第4，前3位为中国、美国、西班牙；累计装机2577.7万kW，位于世界第3，仅次于美国和中国。目前风力发电占德国可再生能源发电总量的近40％，占发电总量的8％。
图1 2000—2009年世界海上风电装机情况
由于德国陆上风能资源开发程度较高，继续建设陆上大型风电场的可能性很小，因此，德国风电开发重点由陆地分散开发转向海上大规模开发，如北海和波罗的海的海上风电。2008年之前，德国在领海范围的堤坝和港口附近较浅的位置建造了3台风电机组[1]，包括2004年在北海地区Emden的1台4.5MW的风机，2006年在波罗的海Rostock的1台2.5 MW的风机，2008年在北海地区Hooksiel的1台5 MW风机。2010年德国建成投运了第1个海上风电场Alpha Ventus，位于Borkum岛西北45 km处的北海，装有12台5 MW风电机组。该工程于2010年4月全部投入运行，8月正式发电，是世界上第1个已并网的使用5 MW风电机组的海上风电场。这是德国迈出海上风电的第一步，工程历时超过10年，参与的公司超过20家。
德国正在建造的“Bard Offshore 1”海上风电场是目前世界上离岸距离最远的海上风电场，也是北海地区第1个商业化海上大规模风电工程，其位于Borkum岛西北100km，距离北海海岸130km，水深40m。该风电场由80台5MW风电机组组成，于2010年3月开始安装，计划于2011年完成全部安装。
1.2 海上风电发展的挑战
德国海上风电开发的申请程序繁冗，加上之前旧的《可再生能源法案》不区分海上风电和陆地风电的补贴，使得海上风电在德国起步比较晚，开发滞后。特别是德国海域的特殊情况，给其海上风电发展带来诸多挑战。
（1）环境保护问题使得海上风电开发距离较远。德国海岸线附近的水域，尤其是北海地区，是一片野生动植物栖息地，很大部分已经被划为自然保护区，因此大部分海域不能用于海上风电开发，海上风电项目必须规划在离岸较远的深海区，比其他国家的项目离岸距离更远。在这些深水海区和离岸较远的海域建设风电场，面临诸多挑战。
（2）海上风电的建设技术及施工难度大。德国受海洋法和自然保护法规定的限制，为了保护对旅游业至关重要的浅滩，规定海上风电场至少需离海岸30km，远比一些邻国允许在离海岸最近5km的海域建造风电场的规定严格，这导致施工单位必须在30m或更深的海底和风力更大的海面上安装风电机组，其风机基础、风机设计、电缆敷设等技术的要求比在近海安装风力发电机要复杂得多，施工难度前所未有。
（3）德国海上风电场的造价附加费用相当高。由于水深和离岸距离远，相应安装和运输费用大幅提高，德国风电机组的造价预算远高于丹麦和荷兰的海上风电场。适当增加单机容量来降低单位功率的附加费用是建设海上风电项目的有效解决方案。经德国海洋局和相关风能机构的估算，在德国海域安装5MW风电机组，才可以最大限度地降低单位功率的附加成本。这样大功率的海上风机给制造以及零部件运输带来很大困难。
2 德国海上风电发展战略及政策
德国政府于2008年6月批准了一项气候变化政策——《气候与能源计划》，旨在实现到2020年比1990年降低C02排放40％的目标。2010年9月28日，德国政府又通过了一项着眼于2050年的能源新方案，规划到2020年将可再生能源发电量占本国发电总量的比例由目前的16％提高到35％，到2030年这一比例应达到50％，到2050年则提高到80％。
德国未来可再生能源的开发重点在海上风电，有着宏伟的海上风电计划：到2015年海上风电装机达到300万kW，到2020年达到1500万kW，2030年达到3000万kW，主要集中在北海及波罗的海地区。德国政府运用经济杠杆和法律手段，采取扶持措施，为海上风电产业的发展营造有利的外部条件[3-6]。
1991年1月1日，德国政府颁布了《输电法》，这是德国开始风能商业利用后制定的第1部促进可再生能源利用的法规。2000年4月1日，具有划时代意义的《可再生能源法》在德国开始生效。
2004年8月，修订后的《可再生能源法》（EEG2004）颁布实施。其内容包括提高风电并网价格，并区分海上风电和陆地风电并网价格，海上风电的电价达到了13欧分/（kW·h）。2008年6月9日，德国议会颁布了《可再生能源法案修订案》（EEG2009），将海上风电项目的初始上网电价设定为15欧分/（kW·h）。受《可再生能源法案修正案》的影响，海上风电项目在德国开始爆炸性的增长。
3 德国海上风电场规划
德国政府计划在波罗的海和北海建造82个海上风力发电场，总发电量可满足1200万户家庭的用电需求，德国沿海地区有望得到数10亿欧元的投资，并能提供3万个就业岗位。
根据发展规划[7-8]，截至2009年9月北海地区风电场20个待建，48个在审批中；波罗的海地区风电场6个待建，8个在审批中。北海地区是德国风电开发的热点，大约规划了4500台风力发电机组。图2为德国北海4个海上风电场群的示意[7]。由于大多数风电场距离海岸都比较远，德国计划在北海地区设立4个风电场群，分别是Borkum 1（也称为Dollart）、Borkum 2、Helgoland和Sylt（也称为Helgoland 2），其中Borkum 2是最早开始建设的。
图2 德国北海4个海上风电场群规划示意
根据德国海上风电规划，到2015年北海4个风电场群Borkum 2、Borkum 1、Helgoland、Sylt的装机容量将分别达到360万kW、512.2万kW、188.8万kW、189.3万kW，共计1250.3万kW：4个风电场群的装机规模规划如图3所示。
图3 2009—2015年德国海上风电场群装机规模规划
4 德国海上风电并网
4.1 海上风电场并网现状
德国的海上风电并网主要采用交流输电技术和柔性直流输电技术（VSC-HVDC，ABB公司称为HVDC LightTM，Seimens公司称之为HVDC PlusTM技术）2种。其中Alpha Ventus风电场的并网采用110kV交流线路：用30kV的电缆将12台风电机组的出力送至海上变电平台，电压升至110kV，穿过Norderney和Lower Saxony Wadden Park，经由海底电缆连接至Hagermarsch变电站，与内陆110kV电网相连。而德国即将建成的Bard offshore 1风电场（位于Borkum 2风电场群），采用柔性直流输电技术，即BorWin 1工程。2009年11月，BorWin 1开始进行试运行。当海上风电场的距离较远时，采用柔性直流输电是一种很好的方案。
4.1.1 BorWin 1工程简介
BorWin 1是由Transpower投资建设的连接Borkum 2风电场群和德国内陆电网的柔性直流输电工程，由ABB承建，其示意见图4。
图4 德国BorWin 1风电并网工程示意
这是目前世界上总装机容量最大、距离最远的海上风电并网工程，也是德国第1条柔性直流输电并网线路。风电机组出力首先由36kV的交流电缆输送至海上换流站BorWin Alpha，升至154kV后由高压直流电缆输送至距离海岸75km的Diele，再接入德国380kV电网。这项工程相关技术参数见表1。
这项工程解决了一系列的技术和建设难题，验证了大规模远距离的风电安全接入内陆电网的技术可行性，为将来实现海上风电和可再生能源的发展目标提供了工程借鉴。
4.1.2 柔性直流输电并网的优势
柔性直流输电系统是技术和经济上可行的远距离海上风电并网方案[9-12]，如图5所示。
图5 风电场由柔性直流输电接入示意
（1）交流输电线路是连接小型近海风电场和电网经济有效的方法，而柔性直流输电技术则是远海风电场的最佳选择。交流输电由于较高的充电功率不太适宜于长距离的海上风电并网。虽然常规基于晶闸管的高压直流输电对于海上风电并网也是可行的，但其仍需大量的无功补偿，这将大大增加海上平台的体积和在极端环境下施工的复杂程度。柔性直流输电具有无功和电压控制能力，可以提供频率控制和低电压穿越以满足风电并网的要求。通过对风电进行全方位控制，使风电出力的间歇性特点不会扰乱电网。柔性高压直流输电系统还能在无电状态下启动，长距离输电损耗也较小。
（2）BorWin 1工程的输电线路电缆将穿过瓦登海海岸，这是一个沿海岸线从荷兰延伸至德国到丹麦的滩涂湿地带。这片湿地区域正在考虑申请为世界遗产保护区，有着丰富的动植物资源，是候鸟迁徙的重要中转地。途经类如瓦登海等野生动物保护区对工程建设来说是一个巨大的挑战。通过将风电场群的出力集中起来经由柔性直流输电线路并网，可大大降低对环境的影响。
4.2 德国海上风电场并网规划
德国国家能源署（DENA）资助的一项旨在研究海上风电上网对德国电网以及现有电厂基础设施的影响表明，要实现风电上网的成本效益，包括扩大海上风电规模，需要加强电网结构，至2015年需要增加约850km的400kV高压电网。
2006年之前，按照相应法规，一个海上风电场要并网连接到陆地电网，其投资费用完全由电厂运营商负担，因此计划有超过20条交流和直流电缆会从海滩穿过。由于大多数德国海上风电场都建在离海岸30km以外的海上，并网成本约占整个项目投资的20％～30％。
2006年年底德国通过了加快基础设施规划法案（The Infrastructure Planning Acceleration Act），授权由输电线路运营商负责各自经营区域并网线路的建设和运营。规定海上风电场运营商负责从风电场到海上变电站的线路建设，输电网公司负责从海上变电站到内陆的接入线路[13-14]。该法案于2007年12月17日生效，基于此，德国海上风电并网方案由原来的各风电场分散并网转变为以风电场群为单位的集中并网模式，如图6所示。
图6 德国海上风电并网模式变化示意
德国海上风电规模大，远离海岸，采用集群布置，更需要统筹规划风电场的并网工程。考虑到海上风电实际情况，采用柔性高压直流技术，将远距离风电场群内各风电场出力汇集之后，统一输送至离岸海上换流站，转换为直流后经高压直流电缆输送至内陆的换流站，再转换为交流后与内陆380 kV电网连接。
继德国的第1条海上柔性直流线路BorWin 1建成后，2010年6月和7月，德国签署了3个北海的柔性直流输电的风电接入工程。其中，ABB负责风电场群Borkum 1的接入工程DolWin 1，计划投资7亿美元；西门子与电缆制造商普睿斯曼公司（Prysmian）联合赢得了800MW的BorWin 2风电场群接入工程和576 MW的HelWin 1风电场群并网工程，预计每个工程造价5亿欧元。计及其他各种费用后，3个工程造价总计24亿欧元。德国未来海上风电并网工程示意见图7。
注：BorWin为Borkum 2风电场群的接入工程名，数字代表接入工程的代码（如DolWin 1），希腊字母代表不同的海上换流站平行（如BorWin Beta），其他同。
图7 德国未来海上风电并网工程示意
（1）DolWin 1工程。该工程计划于2013年完工。这是ABB使用柔性高压直流技术在德国建设的第2个海上风电场接入项目，该工程电压等级为320kV，是高压直流输电项目中使用挤出型绝缘电缆的最高电压等级记录。输送功率约800MW，包括Borkum 1风电场群中400MW的Borkum WestⅡ风电场（由Prokon Nord承建）及周边几个即将建造的风电场。这些海上风电场将与一个海上高压直流换流站相连，这个换流站再通过长达165 km的水下和地下直流电缆（海底75km，地下90km）连接德国西北海岸的Dorpen的陆上高压直流换流站，从而并入德国内陆电网。
（2）BorWin 2。该工程计划于2013年完工，由西门子承建，将用于Borkum 2风电场群中Veja Mate风电场（由Bard承建）和Global Tech 1风电场（由Stadtwerke Munchen承建）的并网，输送功率800MW。BorWin 2的高压直流电缆约200km，直流电压等级为300kV，风电场出力从海上的BorWin Beta换流站送至Diele的内陆换流站。
（3）HelWin 1。该工程计划于2013年投运，由西门子承建，主要用于Helgoland风电场群中Nordsee Ost风电场（由RWE Innogy承建，离岸85km）的并网，输送功率576MW。
HelWin 1工程的直流电压等级为±250kV，是北海东部的第1条联络线，将从Nordsee Ost风电场连接至在Brunsbuttel的新建换流站，陆上线路长约45km，海底线路长85km。
5 德国海上风电发展的启示
海上风电是风电产业发展的新趋势。我国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的资源条件。根据中国气象局风能资源详查初步成果，我国5～25m水深线以内近海区域、海平面以上50m高度，风电可装机容量约2亿kW。我国东部沿海地区与欧洲的英国、丹麦等海上风电发展迅速的国家相比，在地理和自然条件方面比较相似，经济发达，电网容量大，但常规能源匮乏，一次能源主要依靠外省输入或进口。这些地区的经济中心大多集中在海岸线附近，海上风电距离负荷中心近，输电损耗小。开发海上风电场是中国东南沿海地区有效利用风能资源、缓解环境压力的措施。
（1）海上风电场的建设不仅面临着各种技术问题，而且面临着运营方面问题，造价和维护费用高，政策性强。因此亟需国家出台相关的电价和融资政策予以扶持，需要比陆上风电更加优惠的政策。例如德国的第1个海上风电场Alpha Ventus建设周期长达10年，直至政府出台相应的电价扶持政策后，才得以加快建成。
（2）在海上风电开发过程中，应及早对风电场的建设和并网进行规划引导。如德国在北海地区规划了4个风电场群，每个风电场群的电能集中送出，不仅最大限度地降低了对环境的影响，而且大大减少了海上风电并网的成本，避免了重复投资，提高了海上风电发展的经济性。
（3）加快电网发展是促进海上风电开发的重要途径。根据DENA的研究[15]，要扩大海上风电并网规模，降低海上风电对主电网的影响，需要改善电网结构，新建更多高压线路。2010年6月，欧洲输电运营商联盟（ENTSO-E）发布了“十年电网发展规划”修订试行方案，旨在推进欧洲电网跨国互联，以便能够接纳大规模风电。该方案总投资230亿～280亿欧元，重点投资区域预计为北海和波罗的海地区。这必将大大推动德国海上风电的发展。以上都说明高电压等级电网和大范围联网是加快海上风电发展的有效措施。
（4）应采用先进输电技术加强海上风电并网。德国最近投运的和规划的风电并网线路均采用柔性直流输电技术，减少了风电波动性对电网安全性影响以及并网线路建设运行对海洋环境的影响，该技术在远距离海上风电并网方面更具有技术和经济可行性。
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